方俊偉 楊涪杰 賈曉斌 鄧明毅

(①中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；②中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；③西南石油大學(xué))

0 引 言

井漏是鉆井施工中的重大技術(shù)難題，鉆遇裂縫則是造成井漏的主要原因，針對(duì)鉆遇裂縫的相關(guān)研究有很多。1964年Drummond[1]提出可利用天然裂縫性儲(chǔ)集層的大量鉆井液漏失資料來確定地層巖石孔隙度；1988年 Pouisen[2]基于鉆井流體漏失形態(tài)呈線性并平行于裂縫面、流體漏失服從達(dá)西定理、漏失流體是不可壓縮的和儲(chǔ)集層是無限平行于裂縫面4個(gè)假設(shè)前提推導(dǎo)出了描述水力裂縫中流體漏失的通用公式；1990年N.Morita[3]提出了漏失壓力理論, 分析了漏失壓力影響因素；1992年 Dyke等[4]詳細(xì)論述了鉆井過程中的鉆井液漏失響應(yīng), 對(duì)鉆井液漏失控制給出了合理的建議；2004年Alexandre Lavtov[5]提出了裂縫性地層的漏失模型, 描述了鉆井液在徑向單裂縫中的漏失機(jī)理, 定量描述了鉆井液實(shí)時(shí)漏失曲線；同年，Lavtov[6]等提出假設(shè)鉆井液為冪律流體，裂縫為有限長(zhǎng)的平面圓盤狀，裂縫寬度隨壓力線性變化，建立了單條裂縫的徑向漏失模型；2007年金衍等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)漏失井深、工況、發(fā)生率、漏失通道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建了統(tǒng)計(jì)法計(jì)算漏失壓力的模型；2008年朱亮等[8]將統(tǒng)計(jì)法建立的漏失壓力計(jì)算模型與力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行了比較，證明統(tǒng)計(jì)法要優(yōu)于力學(xué)計(jì)算法。 結(jié)合前人研究，本文提出了一種基于錄井?dāng)?shù)據(jù)的裂縫類型識(shí)別方法，使用某區(qū)塊的實(shí)鉆資料對(duì)該方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核。結(jié)果證明裂縫區(qū)分后計(jì)算的漏失壓力的結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，并通過該方法建立了目標(biāo)層的誘導(dǎo)裂縫地層漏失壓力方程，為該區(qū)塊防漏堵漏提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1 基于錄井參數(shù)的裂縫漏失壓力理論分析

1.1 錄井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算漏失流量

在鉆井過程中，因?yàn)榇嬖谧匀粷B漏和填充井中的新鉆空間等不確定因素，所以鉆井液的出口流量一直是波動(dòng)的(一般為進(jìn)口流量的20%～30%)。這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)只能通過對(duì)鉆井液池液面變化的記錄獲得鉆井液在一段時(shí)間內(nèi)的總漏失量，進(jìn)而計(jì)算出漏失流量，往往難以獲得單次井漏過程中鉆井液漏失流量的動(dòng)態(tài)變化，這將直接掩蓋有價(jià)值的漏失流量的變化點(diǎn)與整體變化趨勢(shì)。針對(duì)這一問題，本文提出借助現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與漏失發(fā)生后的錄井參數(shù)對(duì)漏失發(fā)生后漏失流量的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行計(jì)算。

在正常鉆進(jìn)的前提下，可以認(rèn)為進(jìn)出口流量之比C是定值，井漏發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)工程師通過鉆井液池液面變化來統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的總漏失量QL。因此，通過總漏失量QL和進(jìn)出口流量的比值C即可獲得每個(gè)時(shí)刻的鉆井液漏失量，即漏失流量VL，再繪制相應(yīng)的散點(diǎn)圖，進(jìn)而得出井漏過程每一時(shí)刻的漏失流量。

進(jìn)出口流量比值C：

(1)

式中：C為進(jìn)出口流量比，無量綱；QO為一段時(shí)間內(nèi)出口流量的和，m3；QI為一段時(shí)間內(nèi)入口流量的和，m3；QL為記錄的鉆井液總漏失量，m3。

某時(shí)刻的鉆井液漏失流量VL：

VL=CVI-VO

(2)

式中：VL為某時(shí)刻的漏失流量，m3/s；VI為入口流量，m3/s；VO為出口流量，m3/s。

1.2 漏失壓力計(jì)算

表示鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度(Equivalent Circulating Density，簡(jiǎn)稱ECD)計(jì)算模型定義為鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度(ESD)與鉆井液流動(dòng)造成的環(huán)空壓耗當(dāng)量密度之和。漏失壓力pL和循環(huán)當(dāng)量密度ECD的計(jì)算分別為：

pL=ECD×g×H

(3)

(4)

式中：ρ為鉆井液密度，g/cm3；ρs為巖屑密度，g/cm3；Ca為環(huán)空巖屑濃度，%；pa為環(huán)空壓耗，MPa；g為重力加速度；H為井深，m。

其中環(huán)空巖屑濃度計(jì)算式為：

(5)

式中：t為鉆速，m/h；d0為鉆桿外徑，cm；d為井眼內(nèi)徑，cm；vc為鉆井液環(huán)空返速，m/s；vs為巖屑沉降速度，m/s。

當(dāng)流態(tài)為紊流時(shí)，井段環(huán)空壓耗[9]為：

(6)

式中：L為鉆桿長(zhǎng)度，m；f為摩阻系數(shù)，無量綱。

在公式(6)中的參數(shù)除摩阻系數(shù)f以外均可通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)資料獲得，而摩阻系數(shù)f采用 Dodge 和 Metzner 推導(dǎo)出的半經(jīng)驗(yàn)公式[10]來計(jì)算：

(7)

式中：NRe為紊流的常規(guī)雷諾系數(shù)；n為流動(dòng)參數(shù)，由公式(8)確定。

(8)

通過ECD和漏失井的水力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)便可以求得單次漏失發(fā)生時(shí)的具體時(shí)間點(diǎn)的井底漏失壓力數(shù)據(jù)。

1.3 裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算

基于單次漏失的錄井?dāng)?shù)據(jù)，可以全面分析該裂縫在漏失壓力變化下，鉆井液漏失能力的變化率，即裂縫的導(dǎo)流能力。通過對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的定量分析可以得出該條裂縫對(duì)漏失壓力的敏感性，并指導(dǎo)該井后續(xù)堵漏作業(yè)及同區(qū)塊中相鄰井的鉆井液當(dāng)量密度設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。選取時(shí)刻1和時(shí)刻2，在計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為這一次井漏發(fā)生后截取的這一段時(shí)間內(nèi)鉆遇裂縫的地層孔隙壓力po為不變的，則該次井漏裂縫的導(dǎo)流能力可以通過漏失流量與漏失壓力曲線的變化趨勢(shì)來表示，即裂縫導(dǎo)流能力K：

(9)

式中：V1為時(shí)刻1的漏失流量，m3/s；V2為時(shí)刻2的漏失流量，m3/s；p1為時(shí)刻1的漏失壓力，MPa；p2為時(shí)刻2的漏失壓力，MPa；po為地層孔隙壓力，MPa。

將漏失裂縫的導(dǎo)流能力和漏失壓力的關(guān)系進(jìn)行構(gòu)圖，得到了裂縫導(dǎo)流能力與漏失壓力的平面曲線圖，再對(duì)該曲線進(jìn)行微分便得到了該條裂縫在漏失壓力變化下，導(dǎo)流能力的變化。

2 致漏裂縫類型的識(shí)別

通過某井井漏時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制漏失流量和漏失壓力的數(shù)據(jù)平面散點(diǎn)圖，再對(duì)散點(diǎn)圖擬合，然后對(duì)擬合曲線進(jìn)行微分得到裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖。對(duì)裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖擬合后得到裂縫導(dǎo)流能力和漏失壓力的變化趨勢(shì)圖，再通過裂縫導(dǎo)流能力的變化趨勢(shì)圖對(duì)鉆遇裂縫的性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別與分類。

使用上述模型計(jì)算的某油田現(xiàn)場(chǎng)某井的兩次井漏的裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖見圖1、圖2。

(1)圖1實(shí)例為某井5 571 m處發(fā)生的漏失。從圖1可以看出，隨著漏失壓力的下降，裂縫的導(dǎo)流能力整體變化趨勢(shì)為持續(xù)降低。當(dāng)漏失壓力大于87.6 MPa時(shí)裂縫導(dǎo)流能力為正數(shù)，即隨著漏失壓力下降，鉆井液的漏失流量一直在增加。而當(dāng)漏失壓力小于87.6 MPa時(shí)裂縫導(dǎo)流能力變?yōu)樨?fù)數(shù)，即隨漏失壓力下降，漏失流量也在持續(xù)下降。針對(duì)該裂縫，其導(dǎo)流能力變化的臨界點(diǎn)為漏失壓力87.6 MPa，并存在達(dá)到臨界點(diǎn)前裂縫隨著漏失壓力下降漏失流量增加，當(dāng)?shù)陀谂R界點(diǎn)時(shí)裂縫又隨漏失壓力下降漏失流量顯著下降的現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)漏失壓力小于臨界點(diǎn)時(shí)，裂縫的閉合開始成為影響裂縫漏失流量的主要因素，從而導(dǎo)致漏失流量下降。我們把這一類型裂縫定義為誘導(dǎo)致漏裂縫。

(2)圖2實(shí)例為同一口井5 625 m處發(fā)生的漏失。在圖2中，隨著漏失壓力的下降，裂縫的漏液能力變化不顯著，并且整個(gè)漏失過程中也不存在導(dǎo)流能力正負(fù)變化的臨界點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為漏失壓力變化在整個(gè)漏失過程中對(duì)裂縫的漏失流量不產(chǎn)生主要影響，因此這一類型裂縫可以被定義為自然致漏裂縫。

圖1 某井5 571 m漏失的導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線

圖2 某井5 625 m漏失的導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線

圖1的擬合曲線為：

K=-0.96pL2+179.3pL-8 331.17

圖2的擬合曲線為：

K=0.25pL2-41.77pL+1 778.05

3 實(shí)例校驗(yàn)

對(duì)某油田某區(qū)塊7口井的51次井漏數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。

基于致漏裂縫類型識(shí)別方法對(duì)51次井漏進(jìn)行區(qū)分，其中31次為誘導(dǎo)致漏裂縫，20次為自然致漏裂縫。在現(xiàn)場(chǎng)防漏堵漏作業(yè)中封堵的主要難題為誘導(dǎo)致漏裂縫。而誘導(dǎo)致漏裂縫的應(yīng)力敏感性較好，極易受到設(shè)置的工藝參數(shù)的影響，因此需要對(duì)致漏類型進(jìn)行區(qū)分。將誘導(dǎo)致漏裂縫類型區(qū)分出來之后，再通過統(tǒng)計(jì)法計(jì)算該區(qū)塊誘導(dǎo)致漏裂縫的漏失壓差與漏失流量的關(guān)系曲線，從而可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)防漏堵漏作業(yè)。

依照上文可以得到51組數(shù)據(jù)的全結(jié)果及31次誘導(dǎo)致漏結(jié)果，將兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

表1 某油田現(xiàn)場(chǎng)7口井漏失裂縫性質(zhì)判斷

對(duì)7口井所有致漏裂縫的漏失數(shù)據(jù)(51次)進(jìn)行擬合(圖3)，擬合得出漏失方程為：

Δp=0.479 33VL0.598 6

(10)

圖3 某油田區(qū)塊51次漏失壓差與漏失流量的關(guān)系

對(duì)裂縫進(jìn)行分類后只對(duì)誘導(dǎo)致漏裂縫(31次)漏失數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖4)，得出漏失方程為：

Δp=0.964 54VL0.341 2

(11)

圖4 某油田區(qū)塊31次漏失壓差與漏失流量的關(guān)系

漏失壓力為孔隙壓力與漏失壓差之和，則潛山地層漏失壓力為：

pL=po+Δp

(12)

裂縫分類前后的漏失壓力計(jì)算結(jié)果分別為：

pL=po+0.479 33VL0.598 6

(13)

pL=po+0.964 54VL0.341 2

(14)

選取數(shù)據(jù)樣本中的一口井的一次漏失為例進(jìn)行校驗(yàn)，該井在5 820 m處發(fā)生了井漏。漏失發(fā)生時(shí)工況為鉆進(jìn)，此時(shí)泵壓為15.7 MPa，泵沖為86沖，鉆井液密度為1.34 g/cm3，漏失流量為54 m3/h。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料由漏失方程公式(10)計(jì)算51次漏失得出的漏失壓差為5.22 MPa，而由漏失方程公式(11)計(jì)算31次一類漏失得到的漏失壓差為3.76 MPa，依據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)方案，該井5 420～7 556 m層段的地層孔隙壓力當(dāng)量密度為1.19～1.22 g/cm3。依據(jù)漏失壓力方程公式(12)，計(jì)算出該層段的漏失壓力為73.09～74.8 MPa(51次漏失)和71.63～73.34 MPa(31次漏失)。根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)的參數(shù)，由公式(5)(6)(7)計(jì)算出環(huán)空壓耗為5.15 MPa，鉆井液當(dāng)量密度為1.39 g/cm3，可以計(jì)算出漏失工況鉆進(jìn)時(shí)井底壓力為74.13 MPa。

由51次漏失數(shù)據(jù)計(jì)算的漏失壓力73.09 MPa<74.13 MPa <74.8 MPa，即鉆進(jìn)時(shí)井底壓力處于預(yù)測(cè)漏失壓力的區(qū)間。而31次漏失數(shù)據(jù)計(jì)算的漏失壓力71.63～73.34 MPa小于井底壓力74.13 MPa，說明鉆進(jìn)時(shí)井底壓力大于預(yù)測(cè)漏失壓力進(jìn)而導(dǎo)致漏失。通過校核，將裂縫類型識(shí)別并區(qū)分再進(jìn)行漏失壓力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度更高、更符合現(xiàn)場(chǎng)的工程實(shí)際。

4 結(jié) 論

(1)新型統(tǒng)計(jì)法分析誘導(dǎo)致漏裂縫的漏失壓力和舊有的統(tǒng)計(jì)法相比具有更高的準(zhǔn)確性。方法更符合工程實(shí)際，能更好地指導(dǎo)今后的鉆進(jìn)工作及區(qū)塊工藝參數(shù)和水力參數(shù)設(shè)計(jì)。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)和鉆井研究領(lǐng)域，都缺乏結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的分析研究，從而導(dǎo)致了部分理論研究脫離了工程實(shí)際，不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)工作。后續(xù)研究者可以嘗試建立方法將二者緊密結(jié)合起來。